KR101047022B1 - Power control method and apparatus for grid-connected fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에는 연료전지(102)에서 출력된 직류전원의 일부를 전력계통과 연계시키기 위해 공급받는 전력변환부(110)가 구비된다. 상기 전력변환부(110)에서 발전된 전기에너지를 공급받는 전력계통(120)이 구비된다. 아울러 전력계통(120)에서 순간고장 발생시 상기 전력변환부(110)에서 필요로 하는 전력계통(120)의 전원을 보상하기 위한 순간전압강하보상부(124)가 구비된다. 상기 전력변환부(110)는 상기 전력계통(120)과 순간전압강하보상부(124)와 스위칭부(128)의 스위칭 동작에 따라 선택적으로 연결된다. 즉 상기 전력변환부(110)는 상기 전력계통(120)과는 상시 결합한 상태로 운전을 하다가, 만약 전력계통(120)에서 순간고장이 발생하면, 그 순간고장이 복구되기 전까지 상기 순간전압강하보상부(124)가 상기 전력변환부(110)에서 필요한 전력계통(110)의 전원을 보상하도록 한다. 이와 같은 본 발명에 따르면 계통연계된 시스템의 불필요한 운전 정지를 방지할 수 있어 전력을 안정되게 공급할 수 있는 이점이 있다.

Figure R1020080133559

계통연계, 순간고장, 전원공급, 전력계통, 전력변환

The present invention relates to a power supply control method and apparatus for a grid-connected fuel cell system. In the present invention, the power converter 110 is provided to supply a portion of the DC power output from the fuel cell 102 to the power system. A power system 120 that receives the electric energy generated by the power converter 110 is provided. In addition, an instantaneous voltage drop compensation unit 124 is provided to compensate for the power of the power system 120 required by the power converter 110 when a momentary failure occurs in the power system 120. The power converter 110 is selectively connected according to the switching operation of the power system 120, the instantaneous voltage drop compensation unit 124, and the switching unit 128. That is, the power converter 110 operates in a state where it is always coupled with the power system 120, and if a momentary failure occurs in the power system 120, the instantaneous voltage drop compensation until the momentary failure is recovered. The unit 124 compensates for the power of the power system 110 required by the power converter 110. According to the present invention as described above it is possible to prevent unnecessary operation stop of the grid-connected system has the advantage that the power can be stably supplied.

Figure R1020080133559

Grid connection, instantaneous failure, power supply, power system, power conversion

Description

계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법 및 장치{Method and Apparatus for controlling of Power in Grid connected type Fuel cell system}Method and Apparatus for Controlling Power in Grid Connected Fuel Cell System

본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히 전력계통의 순간고장시 연료전지시스템이 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 한 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법 및 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a power control method and apparatus for a grid-connected fuel cell system, which enables the fuel cell system to stably supply power in the event of a power failure.

화석연료의 고갈과 에너지에 대한 위기로 인하여 신- 재생에너지에 대한 범 세계적인 요구와 관심이 높아지고 있으며 그 중심에 연료전지가 있다. 상기 연료전지는 천연가스, 납사, 메탄올과 같은 탄화수소 계열 연료가 갖는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 발전 효율이 매우 높은 특성이 있다. 또 공해요인이 매우 적어 전력수요지 근처에 설치하거나, 전력수요가 밀접한 지역에 분산 설치할 수 있고, 소용량 발전설비에서부터 대용량 발전설비로도 이용할 수 있다. Due to the depletion of fossil fuels and the crisis of energy, global demands and interests on renewable energy are increasing, and fuel cells are at the center. The fuel cell has a very high power generation efficiency for directly converting chemical energy of a hydrocarbon-based fuel such as natural gas, naphtha and methanol into electrical energy. In addition, due to the very low pollution, it can be installed near electric power demands or distributed in areas where electric power demands are close, and can be used from small capacity power generation facilities to large power generation facilities.

도 1에는 일반적인 계통연계형 연료전지시스템의 구성도가 도시되어 있다. 도 1을 보면, 산소공급부(10)와, 연료가스공급부(12)가 구비된다. 그리고 상기 산소공급부(10)로부터 공급된 산소와 연료가스공급부(12)로부터 공급된 연료가스를 반응시켜 직류전원(DC)을 발생시키는 연료전지(20)가 구비된다. 1 is a block diagram of a typical grid-connected fuel cell system. 1, an oxygen supply unit 10 and a fuel gas supply unit 12 are provided. In addition, the fuel cell 20 is configured to generate a DC power supply DC by reacting the oxygen supplied from the oxygen supply unit 10 and the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit 12.

상기 연료전지(20)에서 발생된 상기 직류전원의 일부는 연료전지시스템을 운전하기 위한 시스템운전전력으로 공급된다. A part of the DC power generated by the fuel cell 20 is supplied as a system operating power for operating the fuel cell system.

상기 연료전지(20)에서 발생된 상기 직류전원의 나머지 일부는 전력계통(40)에 연계되어 부하(50)에 사용된다. 이를 위해 상기 연료전지에서 생성된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 전력변환부(PCS:Power Conditioning System)(30)가 구비된다. 상기 전력변환부(30)에는 상기 연료전지(20)에서 출력되는 저전압상태의 직류전원을 소정 레벨로 변환하는 DC-DC 컨버터(32) 및, 상기 DC-DC 컨버터(32)에서 얻어진 직류전원을 전력계통(40)에서 사용할 수 있는 교류전원으로 변환하는 DC-AC 인버터(34)를 포함한다. The remaining part of the DC power generated by the fuel cell 20 is used in the load 50 in connection with the power system 40. To this end, a power conversion unit (PCS: Power Conditioning System) 30 for converting the DC power generated in the fuel cell into AC power is provided. The power converter 30 includes a DC-DC converter 32 for converting a DC power output from the fuel cell 20 to a predetermined level and a DC power obtained from the DC-DC converter 32. It includes a DC-AC inverter 34 to convert to an AC power source that can be used in the power system 40.

그와 같은 계통연계된 연료전지시스템은 상기 DC-AC 인버터(34)에서 전력계통의 이상 유무를 판단하여 이상이 없을시 정상 운전한다. Such a grid-connected fuel cell system determines whether the power system is abnormal in the DC-AC inverter 34 and operates normally when there is no error.

이때 계통연계된 연료전지시스템은 최초 구동시에는 상기 연료전지(20)에서 직류전원을 공급받지 못하기 때문에, 운전 초기에는 상기 전력계통(40)에서 전원을 공급받아 연료전지시스템의 초기 구동 전원으로 사용하게 된다. At this time, since the grid-connected fuel cell system does not receive DC power from the fuel cell 20 at the time of initial driving, the fuel cell system receives power from the power system 40 as an initial driving power source of the fuel cell system. Will be used.

그리고, 상기한 구동시 상기 전력계통(40)에 고장이 발생하면, 상기 전력변환부(30)는 상기 전력계통(40)과의 연결을 차단시키고 연료전지시스템의 운전을 중지시키게 된다. In addition, when a failure occurs in the power system 40 during the driving, the power converter 30 disconnects the power system 40 and stops the operation of the fuel cell system.

하지만, 종래에는 전력품질과 관련된 순시전압강하(Sag), 순시전압상승(Swell), 순간정전과 같은 순간고장이 발생한 경우에도 연료전지시스템과 전력계통(40)을 무분별하게 차단하고 있다. 상기 고장은 대부분 1 ~ 2초 이내 에 자동 복구될 수 있는 것들인데, 만약 상기 고장으로 인해 시스템과 전력계통을 분리시키는 것은 발전효율에 도움이 되지 못한다. However, the fuel cell system and the power system 40 are indiscriminately shut off even in the case of a momentary failure such as instantaneous voltage drop, instantaneous voltage rise, and instantaneous power failure. Most of the failures are those that can be automatically recovered within 1 to 2 seconds. If the failure causes separation of the system and the power system, it does not help the power generation efficiency.

즉, 상기한 순간고장으로 인해 시스템과 전력계통을 분리시키게 되면, 추후 계통연계된 시스템을 다시 재기동시키기 위한 적지않은 시간이 반드시 필요하였고, 이때 연료 및 전력이 불필요하게 소모되고 있다. That is, when the system and the power system are separated due to the momentary failure, a considerable time is required for restarting the grid-connected system later, and fuel and power are unnecessarily consumed.

또 상기 순간고장으로 인해 시스템을 정지시키는 경우에도 시간 및 연료, 전력이 소모된다. In addition, when the system is stopped due to the momentary failure, time, fuel, and power are consumed.

그렇기 때문에 계통연계된 연료전지시스템의 전원이 안정적으로 공급되지 못하고, 이에 전력품질이 저하되는 문제가 있다. Therefore, there is a problem in that the power of the grid-connected fuel cell system is not stably supplied and power quality is deteriorated.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 계통연계된 시스템에서 전력품질과 관련된 순간고장이 발생하여도 시스템이 계속해서 운전할 수 있도록 한 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법 및 장치를 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, the power supply control method and apparatus for a grid-connected fuel cell system that allows the system to continue to operate even if a power failure in the grid-associated system occurs. To provide.

본 발명의 다른 목적은 계통연계 시스템의 전력품질을 향상시키도록 하는 것이다. Another object of the present invention is to improve the power quality of the grid connection system.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 연료전지; 상기 연료전지에서 출력된 직류전원의 일부를 전력계통과 연계시키기 위한 전력변환부; 상기 전력변환부에 전기에너지를 공급하는 전력계통; 그리고, 상기 전력계통에 순간고장이 발생한 경우 그 순간고장이 복구될 시간 동안 상기 전력변환부와 연결되어 상기 전력변환부에서 필요로 하는 전력계통의 전원을 보상하는 순간전압강하보상부;를 포함하여 구성된다. According to a feature of the present invention for achieving the above object, a fuel cell; A power conversion unit for connecting a portion of the DC power output from the fuel cell with a power system; A power system for supplying electrical energy to the power conversion unit; And a momentary voltage drop compensator connected to the power converter for a time to recover the momentary failure when the momentary failure occurs in the power system to compensate for power of the power system required by the power converter. It is composed.

상기 순간전압강하보상부를 충전하기 위한 보상부 충전부가 더 포함되고, 상기 보상부 충전부는 상기 전력계통의 계통전압을 이용하여 상기 순간전압강하보상부를 충전한다. The compensation unit charging unit for charging the instantaneous voltage drop compensation unit is further included, and the compensation unit charging unit charges the instantaneous voltage drop compensation unit using the system voltage of the power system.

상기 연료전지시스템의 비상 정지시, 상기 연료전지시스템이 안정되게 정지되도록 전원을 공급하는 보조전원부; 그리고, 상기 보조전원부가 방전된 경우 상기 연료전지로부터 직류전원을 공급받아 상기 보조전원부를 충전하기 위한 보조전원 충전부가 더 포함된다. An auxiliary power supply unit for supplying power so that the fuel cell system is stably stopped when an emergency stop of the fuel cell system occurs; The auxiliary power charging unit may further include an auxiliary power charging unit for charging the auxiliary power unit by receiving DC power from the fuel cell when the auxiliary power unit is discharged.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 계통연계된 연료전지시스템에서 전력변환부에 전력을 공급하는 전력계통에 순간고장이 발생하였는지 체크하는 단계; 그리고, 상기 체크 결과, 상기 전력계통에 순간고장이 발생하면, 상기 순간고장 복구 전까지 상기 전력계통에서 공급하였던 계통전압만큼을 상기 전력변환부로 계속 공급하도록 제어하는 단계;를 포함하여 구성된다. According to another aspect of the invention, the step of checking whether the instantaneous failure occurred in the power system for supplying power to the power converter in the grid-connected fuel cell system; And, as a result of the check, if the instantaneous failure occurs in the power system, controlling to continue to supply to the power conversion unit as much as the system voltage supplied from the power system until the momentary failure recovery.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 계통연계된 연료전지시스템에서 전력계통에 순간고장이 발생하였는지 체크하는 단계; 상기 체크 결과, 상기 전력계통에 순간고장이 발생하면, 전력변환부와 전력계통은 분리시키고 상기 전력변환부에 필요한 전력계통의 전원이 보상되도록 전원 충전된 순간전압강하보상부를 전력변환부와 연결하는 단계; 상기 순간전압강하보상부가 방전되면서 상기 전력변환부에 전력계통의 전원을 계속 보상하는 단계; 그리고, 상기 순간고장이 복구되면 상기 전력변환부와 상기 전력계통을 다시 연결하여 상기 전력계통에서 전원을 계속 공급하도록 제어하는 단계;를 포함하여 구성된다. According to another feature of the invention, the step of checking whether the instantaneous failure in the power system in the grid-connected fuel cell system; As a result of the check, when an instantaneous failure occurs in the power system, the power converter and the power system are separated from each other. step; Continuously compensating power of the power system to the power converter while the instantaneous voltage drop compensation unit is discharged; And reconnecting the power converter and the power system when the momentary failure is restored to control the power system to continuously supply power.

상기 전력계통이 다시 연결되면, 상기 순간전압강하보상부를 충전하는 단계를 더 포함하여 구성된다. When the power system is connected again, the step further comprises the step of charging the voltage drop compensation unit.

상기 순간고장이 미복구되면 상기 전력변환부의 운전을 정지시키고, 계통연계된 연료전지시스템을 비상정지시키도록 한다. If the momentary failure is not recovered, the operation of the power converter is stopped, and the system-associated fuel cell system is emergency stopped.

본 발명에서는 계통연계된 시스템에서 전력계통측에 전력품질과 관련된 순시전압강하(Sag), 순시전압상승(Swell), 순간정전과 같은 순간고장이 발생하면, 시스템과 전력계통은 소정 시간동안 분리시키면서 전력계통에서 공급했던 레벨만큼의 전원을 계속 공급할 수 있도록 하기 때문에, 시스템을 정지시키지 않아도 되어 안정되게 전력을 공급할 수 있다. According to the present invention, when an instantaneous failure such as instantaneous voltage drop (Sag), instantaneous voltage rise (Swell), instantaneous power failure, etc. related to the power quality occurs in the grid system, the system and the power system are separated for a predetermined time. Since the power supply can be supplied at the same level as supplied by the power system, the system can be supplied stably without stopping the system.

또 상기 순간고장이 발생하더라도 시스템의 운전을 정지시킬 필요가 없어 시스템의 정지 및 재시동으로 인한 불필요한 시간과 연료, 전력 소모를 줄일 수 있다. 이에 시스템의 신뢰성이 향상된다.In addition, even if the instantaneous failure occurs, it is not necessary to stop the operation of the system, thereby reducing unnecessary time, fuel, and power consumption due to the stop and restart of the system. This improves the reliability of the system.

이하 본 발명에 의한 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법 및 장치의 바람직한 실시 예의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a configuration of a preferred embodiment of a power control method and apparatus for a grid-connected fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 계통연계형 연료전지시스템의 구성도가 도시되어 있다. 2 is a block diagram of a grid-connected fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2를 보면, 연료전지가 직류전원을 발생시키도록 산소 및 연료를 공급하는 연료공급부(100)가 구비된다. 2, a fuel supply unit 100 is provided to supply oxygen and fuel so that the fuel cell generates a DC power source.

상기 연료공급부(100)로부터 공급된 산소 및 연료가스를 반응시켜 직류전원을 발생시키는 연료전지(102)가 구비된다. 상기 연료전지(102)의 출력단에는 제1스위치(sw1)가 연결된다. 상기 제1스위치(sw1)는 상기 발생한 직류전원을 공급 또는 차단시키는 역할을 한다. A fuel cell 102 for generating a DC power source by reacting oxygen and fuel gas supplied from the fuel supply unit 100 is provided. A first switch sw1 is connected to an output terminal of the fuel cell 102. The first switch sw1 serves to supply or cut off the generated DC power.

상기 연료전지(102)에서 생성된 직류전원 중 일부를 주변장치(BOP:Balance of Plant)(130)의 구동전원으로 변환하여 공급할 수 있도록 하는 DC-DC 컨버터(104)가 구비된다. 상기 BOP(130)는 연료전지시스템을 구동하는데 필요한 주변장치이다. 예로 펌프, 블로워, 각종 밸브류 및 센서류 등을 말한다. A DC-DC converter 104 is provided to convert some of the DC power generated by the fuel cell 102 into a driving power of a BOP 130. The BOP 130 is a peripheral device for driving a fuel cell system. Examples include pumps, blowers, various valves and sensors.

상기 연료전지시스템의 비상정지시 상기 BOP(130)로 구동전원을 공급하는 보조전원부(106) 및 상기 보조전원부(106)가 방전된 경우 상기 연료전지(102)로부터 출력된 직류전원으로 충전하기 위한 보조전원충전부(이하, '제 1충전부'라 함)(108)가 구비된다. 상기 제1충전부(108)의 입력단은 상기 제1스위치(sw1)의 일단과 연결되는 제2스위치(sw2)가 설치된다. 또 상기 보조전원부(106)와 상기 BOP(130) 사이는 제3스위치(sw3)가 설치된다. 상기 제3스위치(sw3)는 연료전지시스템이 비상정지시에 쇼트(short)된다. When the auxiliary power supply 106 for supplying driving power to the BOP 130 and the auxiliary power supply 106 is discharged in case of emergency stop of the fuel cell system, it is for charging with DC power output from the fuel cell 102. An auxiliary power charging unit (hereinafter referred to as a 'first charging unit') 108 is provided. The input terminal of the first charging unit 108 is provided with a second switch sw2 connected to one end of the first switch sw1. In addition, a third switch sw3 is installed between the auxiliary power supply 106 and the BOP 130. The third switch sw3 is shorted when the fuel cell system is in an emergency stop.

상기 연료전지(102)에서 생성된 직류전원의 나머지를 아래에서 설명될 전력계통(120)과 연계시키기 위한 전력변환부(110)가 구비된다. 상기 전력변환부(110)는 상기 연료전지(102)에서 출력되는 저전압상태의 직류전원을 소정 레벨로 변환하는 DC-DC 컨버터(112) 및 상기 DC-DC 컨버터(112)에서 얻어진 직류전원을 전력계통(120)에서 사용할 수 있는 교류전원으로 변환하는 DC-AC 인버터(114)를 포함한다. The power conversion unit 110 is provided to associate the rest of the DC power generated by the fuel cell 102 with the power system 120 to be described below. The power conversion unit 110 powers the DC-DC converter 112 for converting the DC power output from the fuel cell 102 to a predetermined level and the DC power obtained from the DC-DC converter 112. It includes a DC-AC inverter 114 to convert to an AC power source that can be used in the system 120.

상기 전력변환부(110)에서 발전된 전기에너지를 공급받는 전력계통(120)이 구비된다. A power system 120 that receives the electric energy generated by the power converter 110 is provided.

상기 전력변환부(110)에서 발전된 교류전원을 전력계통(120)의 계통 연계방식에 의해 상기 BOP(130)의 구동전원으로 변환하는 AC-DC 컨버터(122)가 구비된다. 상기 AC-DC 컨버터(122)는 상기 연료전지시스템의 초기 기동시 계통전압을 상기 연료전지시스템의 운전전력으로 공급하는 역할을 한다. 상기 전력변환부(110)와 상기 AC-DC 컨버터(122) 사이에는 제4스위치(sw4)가 설치된다. 상기 제4스위치(sw4)는 연료전지시스템 초기 구동시에 쇼트되어야 한다. An AC-DC converter 122 for converting the AC power generated by the power converter 110 into the drive power of the BOP 130 by a system linkage method of the power system 120 is provided. The AC-DC converter 122 serves to supply a system voltage to the operating power of the fuel cell system at the initial startup of the fuel cell system. A fourth switch sw4 is installed between the power converter 110 and the AC-DC converter 122. The fourth switch sw4 should be shorted when the fuel cell system is initially driven.

상기 전력계통(120)의 순간고장시 전력계통(120) 출력과 연결되는 순간전압강하보상부(이하, '보상부'라 칭함)(124)가 구비된다. 상기 보상부(124)는 미도시하고 있지만 커패시터와 같은 저장부와 인버터로 구성된다. 상기 인버터는 상기 저장부에 저장된 전원이 직류전원이기 때문에 계통전압이 교류전원으로 변환하는 역할을 한다. A momentary voltage drop compensator (hereinafter, referred to as a “compensator”) 124 connected to the output of the power system 120 at the moment of failure of the power system 120 is provided. Although not shown, the compensation unit 124 includes a storage unit such as a capacitor and an inverter. The inverter serves to convert a grid voltage into an AC power source because the power stored in the storage unit is a DC power source.

상기 보상부(124)는 연료전지시스템이 정상 운전상태에서는 전력변환부(110)와 분리된 상태이어야 한다. 이에, 상기 전력변환부(110)는 상기 전력계통(120) 또는 보상부(124)와 선택적으로 연결되어야한다. 이에 상기 전력변환부(110), 전력계통(120), 보상부(124)가 교차하는 지점에 2 접점이 구비된 스위칭부(128)가 구비된다. 상기 스위칭부는 'a'접점 및 'b'접점으로 구성된다. 상기 스위칭부(128)가 'a'접점에 위치하면 상기 전력변환부(110)와 전력계통(120)이 연결되고, 상기 'b'접점에 위치하면 상기 전력변환부(110)와 보상부(124)가 연결된다. 그리고 상기 보상부(124)를 충전하기 위한 보상부충전부(이하, '제2충전부'라 함)(126)가 구비된다. 상기 제2충전부(126)는 상기 전력계통(120)에서 전원을 공급받아 상기 보상부(124)를 충전한다. 상기 전력계통(120)과 상기 제2충전부(126) 사이에는 제5스위치(sw5)가 설치된다. The compensator 124 should be in a state in which the fuel cell system is separated from the power converter 110 in a normal operation state. Thus, the power converter 110 should be selectively connected to the power system 120 or the compensation unit 124. Accordingly, the switching unit 128 having two contacts is provided at the intersection of the power converter 110, the power system 120, and the compensator 124. The switching unit is composed of a 'a' contact and a 'b' contact. When the switching unit 128 is located at the 'a' contact point, the power conversion unit 110 and the power system 120 are connected. When the switching unit 128 is located at the 'b' contact point, the power conversion unit 110 and the compensation unit ( 124 is connected. A compensation part charging part (hereinafter referred to as a 'second charging part') 126 for charging the compensation part 124 is provided. The second charger 126 receives power from the power system 120 to charge the compensator 124. A fifth switch sw5 is installed between the power system 120 and the second charging unit 126.

상기 전력계통(120)의 계통전압을 측정하는 전압감지센서(129)가 구비된다. The voltage detection sensor 129 for measuring the system voltage of the power system 120 is provided.

상기 연료전지시스템의 운전모드에 따라 상기 제1 내지 제5스위치(sw1 ~ sw5)와 상기 스위칭부(128)의 스위칭동작을 제어하여 순간고장시에도 연료전지시스템의 운전을 중지시키지 않고 계속하여 운전되도록 제어하는 제어부가 구비된다. 본 실시 예에서 상기 제어부는 제 1제어부(116) 및 제 2제어부(132)로 구분한다. 상기 제 1제어부(116)는 상기 전력변환부(110)내에 구비되어 상기 스위칭부(128)의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 제 2제어부(132)는 상기 제1내지 제5스위치(sw1 ~ sw5)의 스위칭 동작을 제어한다. 그러나 반드시 제 1제어부(116) 및 제 2제어부(132)로 구분하여 구성하지 않아도 된다. 1개의 제어부가 전력변환부(110) 또는 BOP(130) 또는 연료전지시스템의 소정 개소에 제공한 상태에서 상기 스위칭부(128) 및 제1내지 제5스위치(sw1 ~ sw5)를 모두 제어할 수도 있다. The switching operation of the first to fifth switches sw1 to sw5 and the switching unit 128 is controlled according to the operation mode of the fuel cell system, so that the operation continues without stopping the operation of the fuel cell system even during a momentary failure. It is provided with a control unit for controlling to be. In this embodiment, the controller is divided into a first controller 116 and a second controller 132. The first control unit 116 is provided in the power conversion unit 110 to control the switching operation of the switching unit 128, the second control unit 132 is the first to fifth switches (sw1 ~ sw5). Control the switching operation. However, the first control unit 116 and the second control unit 132 may not be configured separately. One control unit may control both the switching unit 128 and the first to fifth switches sw1 to sw5 in the state provided to the power conversion unit 110, the BOP 130, or a predetermined location of the fuel cell system. have.

이어 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 실시 예의 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법을 상세하게 설명한다. Next, the power control method of the grid-connected fuel cell system of the present embodiment having the above configuration will be described in detail.

설명의 편의를 위해 본 실시 예를 설명함에 있어 연료전지시스템의 운전모드를 시동모드, 정상운전모드, 순간고장발생모드, 정지모드로 구분하여 설명하기로 한다. For convenience of description, in describing the present embodiment, an operation mode of the fuel cell system is divided into a start mode, a normal operation mode, a momentary failure mode, and a stop mode.

시동모드Startup mode

계통연계형 연료전지시스템은 전력계통(120)에서 전원을 공급받아 시동한다. 즉 연료전지시스템은 최초 시동에 필요한 직류전원을 자체적으로 공급받을 수 없기 때문에, 상기 전력계통(120)에서 공급받게 된다. 이를 위해 연료전지시스템이 구동 되기 시작하면, 상기 제1제어부(116)는 스위칭부(128)의 접점은 'a'접점으로 유지하고, 상기 제2제어부(132)는 제4스위치(sw4)를 쇼트시켜 상기 전력계통(120)에서 계통전압이 상기 AC-DC 컨버터(122)로 공급되게 한다. 상기 AC-DC컨버터(122)는 상기 계통전압을 상기 BOP(130)의 구동에 필요한 직류전원으로 변환하여 공급한다. The grid-connected fuel cell system is started by receiving power from the power system 120. That is, the fuel cell system is supplied from the power system 120 because the DC power source for the first start cannot be supplied by itself. To this end, when the fuel cell system starts to be driven, the first control unit 116 maintains the contact point of the switching unit 128 as the 'a' contact point, and the second control unit 132 operates the fourth switch sw4. The short circuit causes the system voltage to be supplied from the power system 120 to the AC-DC converter 122. The AC-DC converter 122 converts the grid voltage into a DC power required to drive the BOP 130 and supplies the converted DC voltage.

상기 시동모드는 연료전지시스템이 안정적으로 운전하기 이전 상태이다. 그래서 상기 연료전지(102)에서 직류전원이 안정적으로 출력되기 전까지 상기 제2제어부(132)는 상기 제1내지 제3스위치(sw1 ~ sw3)는 오픈상태로 유지한다. 다만, 상기 보상부(124)의 충전상태를 체크하여, 보상부(124)의 충전이 필요하다고 판단되면, 상기 제2제어부(132)는 상기 제5스위치(sw5)를 오픈상태에서 쇼트상태로 스위칭시킨다. 그러면 상기 제5스위치(sw5)의 경로를 통해 상기 계통전압이 상기 제2충전부(126)로 공급되고, 상기 제2충전부(126)는 상기 보상부(124)에 계통전압을 공급하여 충전한다. 상기 충전과정이 완료되면 상기 제2제어부(132)는 제5스위치(sw5)를 오픈시킨다. The start mode is a state before the fuel cell system operates stably. Thus, the second control unit 132 maintains the first to third switches sw1 to sw3 in the open state until the DC power is stably output from the fuel cell 102. However, if it is determined that the charging of the compensation unit 124 is necessary by checking the charging state of the compensation unit 124, the second control unit 132 moves the fifth switch sw5 from the open state to the short state. Switch. Then, the grid voltage is supplied to the second charger 126 through the path of the fifth switch sw5, and the second charger 126 is charged by supplying the grid voltage to the compensator 124. When the charging process is completed, the second control unit 132 opens the fifth switch sw5.

정상운전모드Normal operation mode

상기 정상운전모드는 연료전지시스템이 발전하는 모드이다. The normal operation mode is a mode in which the fuel cell system is generated.

상기 정상운전모드는, 상기 시동모드에 의해 연료전지(102)로부터 직류전원이 안정적으로 생성되는 시점부터이다. 일단, 상기 연료전지(120)에서 직류전원이 안정되게 출력되면, 상기 직류전원을 상기 BOP(130)로 공급하기 위해 제2제어부(132)는 오픈상태인 제1스위치(sw1)를 쇼트시킨다. 상기 제1스위치(sw1)가 쇼트되면 상기 연료전지(102)에서 생성된 직류전원 중 일부는 DC-DC 컨버터(104)에 서 소정 레벨의 전압으로 변환되어 상기 BOP(130)로 공급된다. The normal operation mode is from the time point at which the DC power is stably generated from the fuel cell 102 by the start mode. Once the DC power is stably output from the fuel cell 120, the second controller 132 shorts the first switch sw1 in an open state to supply the DC power to the BOP 130. When the first switch sw1 is shorted, some of the DC power generated by the fuel cell 102 is converted into a voltage of a predetermined level by the DC-DC converter 104 and supplied to the BOP 130.

그리고 상기 연료전지(102)의 출력인 직류전원 중 나머지는 전력변환부(110)로 공급된다. 상기 전력변환부(110)는 직류전원을 상용전원인 교류전원으로 변환하는 역할을 한다. 이때 상기 BOP(130)의 구동전원은 DC-DC 컨버터(104)를 통해 공급되고 있기 때문에, 상기 제 2제어부(132)는 제4스위치(sw4)를 오픈시켜 상기 전력변환부(110)로부터 상기 BOP(130)로 전원이 공급되는 것을 차단한다. The rest of the DC power output of the fuel cell 102 is supplied to the power converter 110. The power converter 110 serves to convert the DC power into AC power that is commercial power. In this case, since the driving power of the BOP 130 is supplied through the DC-DC converter 104, the second control unit 132 opens the fourth switch sw4 to open the fourth switch sw4 from the power conversion unit 110. Blocking the supply of power to the BOP 130.

상기 정상운전모드에서는, 상기 제 1제어부(116)는 상기 스위칭부(128)의 접점은 'a'접점과 계속 연결되게 한다. 또 상기 제 2제어부(132)는 상기 보조전원부(106)의 충전상태를 체크하고, 보조전원부(106)가 방전되어 있으면 제2스위치(sw2)를 쇼트시켜 상기 연료전지(102)로부터 출력되는 전원으로 상기 제2충전부(108)가 상기 보조전원부(106)를 충전시킨다. 상기 제2제어부(132)는 상기 보조전원부(106)의 충전이 완료되면 제2스위치(sw2)는 오픈시킨다.In the normal operation mode, the first controller 116 keeps the contact of the switching unit 128 connected to the 'a' contact. In addition, the second control unit 132 checks the state of charge of the auxiliary power supply unit 106, and when the auxiliary power supply unit 106 is discharged, short-circuits the second switch sw2 to output power from the fuel cell 102. As a result, the second charging unit 108 charges the auxiliary power supply unit 106. The second control unit 132 opens the second switch sw2 when the charging of the auxiliary power supply unit 106 is completed.

순간고장Instantaneous failure 발생모드Generation Mode

상기 순간고장발생모드는 도 3을 함께 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법의 흐름도이다.The instantaneous failure mode will be described with reference to FIG. 3. 3 is a flowchart illustrating a power control method of a grid-connected fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

상기 제 1제어부(116)는 계통연계된 연료전지시스템의 운전상태를 감시한다(s100). 그래서 상기 연료전지시스템이 정상운전을 하다가, 전력계통(120)에서 전력품질과 관련된 순시전압강하(Sag), 순시전압상승(Swell), 순간정전과 같은 순간고장이 발생하면(s102), 상기 제 1제어부(116)는 상기 스위칭부(128)의 'a' 접점을 'b'접점으로 이동시켜 상기 전력변환부(110)의 출력을 전력계통(120)과 분리시키고, 대신 상기 전력변환부(110)와 상기 보상부(124)를 연결한다(s104).The first control unit 116 monitors the operating state of the grid-connected fuel cell system (S100). Thus, when the fuel cell system is in normal operation, and instantaneous failures such as instantaneous voltage drop (Sag), instantaneous voltage rise (Swell), and instantaneous power failure in the power system 120 occur (s102), The first controller 116 moves the 'a' contact of the switching unit 128 to the 'b' contact to separate the output of the power converter 110 from the power system 120, and instead, the power converter ( 110 and the compensation unit 124 is connected (s104).

그러면 상기 보상부(124)는 방전되면서 상기 전력변환부(110)에서 필요로 하는 전력계통(120)의 전원을 보상하게 되어, 상기 전력변환부(110)는 운전을 계속 수행할 수 있게 된다(s106). Then, the compensator 124 is discharged to compensate for the power of the power system 120 required by the power converter 110, so that the power converter 110 can continue to operate ( s106).

상기 제 1제어부(116)는 전압감지센서(129)의 감지값을 감시한다. 그래서 순간고장 발생 후 1 ~ 2초 이내에 상기 전압감지센서(129)로부터 감지된 계통전압이 정상상태가 되면(s108), 즉 상기 순간고장이 복구되면 상기 제 1제어부(116)는 상기 스위칭부(128)의 'b'접점을 다시 'a'접점으로 이동시켜 전력변환부(110)와 전력계통(120)을 연결하고(s110), 정상 운전상태가 되게 한다(s112). 다시말해 상기 순간고장은 보통 1 ~ 2 초 이내에 자동으로 고장이 복구되는 특성을 가지고 있기 때문에, 상기 제 1제어부(116)는 순간고장이 발생하고 대략 1 ~ 2초 후에 스위칭부(128)을 제어하여 상기 순간고장이 복구되는 시간 이내에서만 상기 보상부(124)에서 전원이 공급되게 한다.The first controller 116 monitors the detected value of the voltage sensor 129. Thus, when the system voltage detected from the voltage sensor 129 is in a normal state within 1 to 2 seconds after the occurrence of the instantaneous failure (s108), that is, when the momentary failure is restored, the first control unit 116 switches the switching unit ( 128, the 'b' contact is moved back to the 'a' contact to connect the power converter 110 and the power system 120 (s110), and the normal operation state (s112). In other words, since the failure usually has a characteristic of automatically recovering from failure within 1 to 2 seconds, the first controller 116 controls the switching unit 128 approximately 1 to 2 seconds after the failure occurs. The power is supplied from the compensator 124 only within the time when the momentary failure is recovered.

그리고, 상기 순간고장으로 인한 복구 동작동안 상기 보상부(124)의 전원이 방전되었기 때문에, 상기 제 2제어부(132)는 상기 계통전압이 정상상태로 복귀되면 제5스위치(sw5)를 쇼트시켜 상기 제 2충전부(126)에 의해 상기 보상부(124)를 충전한다. 상기 보상부(124) 충전이 완료되면 상기 제 2제어부(132)는 상기 제5스위치(sw5)는 오픈시킨다. In addition, since the power supply of the compensator 124 is discharged during the recovery operation due to the instantaneous failure, the second controller 132 shorts the fifth switch sw5 when the grid voltage returns to the normal state. The compensation unit 124 is charged by the second charging unit 126. When charging of the compensator 124 is completed, the second controller 132 opens the fifth switch sw5.

즉, 순간고장발생모드에서는, 순간고장 발생한 시간동안 전력변환부(110)와 보상부(124)를 연결시켜 연료전지시스템이 계속 운전되게 하는 것이다. 이는 불필요한 운전정지 및 재시동을 방지할 수 있다.That is, in the instantaneous failure generation mode, the fuel cell system is continuously operated by connecting the power converter 110 and the compensation unit 124 during the instantaneous failure occurrence time. This can prevent unnecessary shutdown and restart.

하지만, 상기 순간고장이 복구되지 않는 경우, 예컨대 1 ~ 2 초 이내에 상기 전압감지센서(129)가 감지한 계통전압이 정상상태로 복구되지 않으면, 전력변환부(110)의 운전을 중지시키고 연료전지시스템을 비상 정지시킨다(s114). However, when the instantaneous failure is not restored, for example, if the grid voltage detected by the voltage sensor 129 is not restored to the normal state within 1 to 2 seconds, the operation of the power converter 110 is stopped and the fuel cell is stopped. Emergency stop the system (s114).

정지모드Stop mode

연료전지시스템을 정상적으로 정지시키는 경우는, 상기 제 2제어부(132)는 상기 연료공급부(100)에서 상기 연료전지(102)로 공급되는 연료를 차단하고, 또 제 1스위치(sw1)를 오픈시킨다. 아울러 상기 제 2제어부(132)는 상기 제 4스위치(sw4)를 쇼트시켜 계통전압이 AC-DC 컨버터(122)로 공급되게 하고, 상기 AC-DC 컨버터(122)가 계통전압을 변환하여 상기 BOP(130)로 공급되게 한다. 이에 상기 연료전지시스템은 정상적으로 정지된다.When the fuel cell system is normally stopped, the second control unit 132 cuts off the fuel supplied from the fuel supply unit 100 to the fuel cell 102 and opens the first switch sw1. In addition, the second controller 132 shorts the fourth switch sw4 to supply a system voltage to the AC-DC converter 122, and the AC-DC converter 122 converts the system voltage to the BOP. To 130. As a result, the fuel cell system is normally stopped.

그러나, 앞서 설명한 바와 같이 순간고장이 복구되지 않는 경우, 제 2제어부(132)는 상기 연료전지(102)로 공급되는 연료를 차단하고 제 1스위치(sw1)를 오픈시킨다. 이때 상기 BOP(130)에는 전력계통(120)에서 공급받지 못하게 된다. 즉 전력계통(120)에 고장이 발생하였기 때문에 연료변환부(110)와 전력계통(120)이 분리되어 있기 때문이다. 따라서, 제 2제어부(132)는 제 3스위치(sw3)를 쇼트시켜 상기 보조전원부(106)로부터 상기 BOP(130)로 보조전원이 공급되게 한다. 그래서 상기 보조전원부(106)의 보조전원으로 연료전지시스템을 안정적으로 정지시키도록 한다. However, when the instantaneous failure does not recover as described above, the second controller 132 cuts off the fuel supplied to the fuel cell 102 and opens the first switch sw1. In this case, the BOP 130 may not be supplied from the power system 120. That is, because a failure occurs in the power system 120, the fuel converter 110 and the power system 120 is separated. Accordingly, the second controller 132 shorts the third switch sw3 to supply the auxiliary power from the auxiliary power supply 106 to the BOP 130. Thus, the fuel cell system is stably stopped by the auxiliary power of the auxiliary power supply 106.

그리고 상기 정상운전모드에서 설명한 바와 같이 상기 제2제어부(132)는 상기 보조전원부(132)의 충전상태를 체크하고, 보조전원부(132)가 방전되어 있으면 제2스위치(sw2)를 쇼트시켜 상기 연료전지(100)로부터 출력되는 전원으로 상기 보조전원부(106)가 충전되게 한다. 제 2제어부(132)는 상기 보조전원부(106)의 충전이 완료되면 제2스위치(sw2)는 오픈시킨다.As described in the normal operation mode, the second controller 132 checks the state of charge of the auxiliary power supply 132, and if the auxiliary power supply 132 is discharged, shortens the second switch sw2 to supply the fuel. The auxiliary power supply 106 is charged by the power output from the battery 100. The second control unit 132 opens the second switch sw2 when the charging of the auxiliary power supply unit 106 is completed.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전력계통에 전력품질과 관련된 순시전압강하(Sag), 순시전압상승(Swell), 순간정전과 같은 순간고장이 발생하더라도 연료전지시스템을 계속하여 운전되게 한다.As described above, the present invention allows the fuel cell system to continue to operate even in the event of an instantaneous failure such as instantaneous voltage drop (Sag), instantaneous voltage rise (Swell), and instantaneous power failure.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The scope of the present invention is not limited to the embodiments described above, but is defined by the claims, and various changes and modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the claims. It is self evident.

즉, 본 발명은 연료전지시스템의 종류, 예를 들어 고분자전해질형(PEMFC), 고체산화물형(SOFC), 직접메탄올(DMFC) 및 용량에 상관없이 계통 연계된 연료전지시스템 전반에 모두 적용할 수 있다. That is, the present invention can be applied to all types of fuel cell systems, for example, polymer electrolyte type (PEMFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), and overall system-linked fuel cell systems regardless of capacity. have.

도 1은 일반적인 계통연계형 연료전지시스템의 구성도1 is a block diagram of a typical grid-connected fuel cell system

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 계통연계형 연료전지시스템의 구성도2 is a block diagram of a system-associated fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법의 흐름도3 is a flowchart of a power control method of a grid-connected fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

102 : 연료전지 104 : DC-DC 컨버터102 fuel cell 104 DC-DC converter

106 : 보조전원부 108 : 보조전원충전부106: auxiliary power supply unit 108: auxiliary power supply charging unit

110 : 전력변환부 116 : 제 1제어부110: power conversion unit 116: first control unit

120 : 전력계통 122 : AC-DC 컨버터 120: power system 122: AC-DC converter

124 : 순간전압강하보상부 126 : 보상부 충전부 124: voltage drop compensation unit 126: compensation unit charging unit

130 : 주변장치(BOP) 132 : 제 2제어부130: peripheral device (BOP) 132: second control unit

Claims (7)

연료전지; Fuel cell; 상기 연료전지에서 출력된 직류전원의 일부를 전력계통과 연계시키기 위한 전력변환부; A power conversion unit for connecting a portion of the DC power output from the fuel cell with a power system; 상기 전력변환부에 전기에너지를 공급하는 전력계통; 그리고, A power system for supplying electrical energy to the power conversion unit; And, 상기 전력계통에 순간고장이 발생한 경우 그 순간고장이 복구될 시간 동안 상기 전력변환부와 연결되어 상기 전력변환부에서 필요로 하는 전력계통의 전원을 보상하는 순간전압강하보상부;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어장치.And a momentary voltage drop compensator connected to the power converter for a time when the momentary failure is restored, and compensating for power of the power system required by the power converter. A power supply control system for a grid-connected fuel cell system, characterized in that. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 순간전압강하보상부를 충전하기 위한 보상 충전부가 더 포함되고, Further comprising a compensation charging unit for charging the instantaneous voltage drop compensation unit, 상기 보상 충전부는 상기 전력계통의 계통전압을 이용하여 상기 순간전압강하보상부를 충전함을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어장치.And the compensation charging unit charges the instantaneous voltage drop compensation unit by using the grid voltage of the power system. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료전지시스템의 비상 정지시, 상기 연료전지시스템이 안정되게 정지되도록 전원을 공급하는 보조전원부; 그리고, An auxiliary power supply unit for supplying power so that the fuel cell system is stably stopped when an emergency stop of the fuel cell system occurs; And, 상기 보조전원부가 방전된 경우 상기 연료전지로부터 직류전원을 공급받아 상기 보조전원부를 충전하기 위한 보조전원 충전부가 더 포함되어 구성됨을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어장치.And a secondary power charging unit configured to receive DC power from the fuel cell to charge the auxiliary power unit when the auxiliary power unit is discharged. 계통연계된 연료전지시스템에서 전력변환부에 전력을 공급하는 전력계통에 순간고장이 발생하였는지 체크하는 단계; 그리고, Checking whether an instantaneous failure occurs in a power system supplying power to a power conversion unit in a grid-connected fuel cell system; And, 상기 체크 결과, 상기 전력계통에 순간고장이 발생하면, 상기 순간고장 복구 전까지 상기 전력계통에서 공급하였던 계통전압만큼을 상기 전력변환부로 계속 공급하도록 제어하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법.If the check results, when the instantaneous failure occurs in the power system, the step of controlling to continue to supply as much as the system voltage supplied from the power system to the power converter until the momentary failure recovery; Method for controlling power of a fuel cell system. 계통연계된 연료전지시스템에서 전력계통에 순간고장이 발생하였는지 체크하는 단계; Checking whether a power failure occurs in the power system in the grid-connected fuel cell system; 상기 체크 결과, 상기 전력계통에 순간고장이 발생하면, 전력변환부와 전력계통은 분리시키고 상기 전력변환부에 필요한 전력계통의 전원이 보상되도록 전원 충전된 순간전압강하보상부를 전력변환부와 연결하는 단계; As a result of the check, when an instantaneous failure occurs in the power system, the power converter and the power system are separated from each other. step; 상기 순간전압강하보상부가 방전되면서 상기 전력변환부에서 필요로 하는 전력계통의 전원을 계속 보상하는 단계; 그리고, Continuously compensating for power of a power system required by the power converter while the instantaneous voltage drop compensation unit is discharged; And, 상기 순간고장이 복구되면 상기 전력변환부와 상기 전력계통을 다시 연결하여 상기 전력계통에서 전원을 계속 공급하도록 제어하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법.And reconnecting the power converter and the power system to control the continuous supply of power from the power system when the momentary failure is restored. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 전력계통이 다시 연결되면, 상기 순간전압강하보상부를 충전하는 단계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법.And recharging the instantaneous voltage drop compensator when the power system is connected again. 제 5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 순간고장이 미복구되면 상기 전력변환부의 운전을 정지시키고, 계통연계된 연료전지시스템을 비상정지시키는 것을 특징으로 하는 계통연계형 연료전지시스템의 전원제어방법.And stopping the operation of the power converter and emergency stopping the system-associated fuel cell system when the momentary failure is not restored.
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